斑马鱼报警物质和色素模式对其行为影响的研究

论文摘要

生命的演化是生命个体与其生存环境相互适应的结果。因此,研究生命对环境变化的适应机制对理解生命的演化至关重要。鱼类作为脊椎动物中最多样化的群体,为我们研究脊椎动物适应环境变化的机制提供了大量的机会和模型系统。我们选择了模式动物斑马鱼用来研究鱼类对环境变化的适应,按生物因子和非生物因子划分,考察了一些环境胁迫因子对鱼类行为的影响。其中,生物类因子,我们首先研究了大家普遍认可的报警物质,报警物质作为一个环境胁迫因子（代表捕食压力）,能够引起鱼类的反捕食行为。而鱼类的反捕食行为是一个复杂的行为过程,可能是由多种活性成分共同引起,为了进一步研究其中的机制,我们对斑马鱼胚胎提取物和皮肤提取物（包含报警物质）做了成分分析。在考察了捕食压力之后,我们对另一个生物类胁迫因子-社交压力也进行了考察。此外我们还关注了一些非生物类环境因子对鱼类行为的影响。同时,对其中一些代表性因子如背景选择、开放领域等进行了研究,旨在进一步探索鱼类适应环境变化的机制。报警物质在鱼类的生活史中具有重要作用,直接关系到鱼类的生存。关于报警物质（alarm substance）这一概念,最早由德籍奥地利动物学家von Frisch在1938年提出（当时用的是德文词“schreckstoff”）。此后80余年以来,相关研究者围绕鱼类报警物质和报警反应（alarm response）展开了大量的研究,其中包括大量的野外调查,相关研究均说明报警物质在鱼类中是普遍存在的。然而迄今为止,关于"报警物质的化学本质是什么?”这一核心问题始终未能获得解决,在此期间尽管有许多相关研究人员曾试图对报警物质进行鉴定分析,但最后均未获得成功。本文第一部分内容主要就是围绕"报警物质的化学本质”问题展开研究讨论,旨在为报警物质的鉴定工作提供一定的实验依据。在研究报警物质的同时,我们也关注了鱼类的报警反应,即反捕食行为。鱼类的反捕食行为本质上是对捕食压力的一种应对行为,其基本功能是躲避捕食者,降低捕食风险,因而对鱼类的生存至关重要,而鱼类的色素模式往往在躲避捕食中扮演着重要的角色。不仅如此,色素模式在鱼类应对其它环境压力中同样发挥着重要作用。然而,当前的研究主要是关于鱼类如何调节色素模式来应对环境压力,而对于色素模式的改变是否会影响鱼类对环境压力的响应行为（或策略）却未见报道,因此,有必要对此展开进一步的研究。本文第二部分内容就是探讨鱼类色素模式和压力应对之间的关系。我们选用了两种色素模式截然不同的斑马鱼,给予相同的环境压力刺激（包括生物类因子,如捕食压力和社交压力;非生物类因子,如背景选择、开放领域等）,分析比较了两种色素模式的斑马鱼在不同环境压力下的行为表现,以期揭示色素模式对鱼类应对环境压力的影响。本文围绕"报警物质化学本质是什么”这一基本问题,首先对警物质产生的发育阶段进行了界定,其次对报警物质来源及其理化特性进行了分析,探索出了一条可能的分离鉴定报警物质候选成分的有效途径,并据此对斑马鱼胚胎和皮肤提取物进行了活性分析。与此同时,通过两种色素模式截然不同的斑马鱼之间的比较,我们探讨了色素模式对鱼类反捕食行为、背景选择、焦虑以及社交互动等行为的影响。具体结果如下:关于报警物质,我们所做的工作包括:首先,针对胚胎报警物质,我们通过收集不同发育时段的胚胎制备提取液并进行活性检测,确定了胚胎报警物质形成的时间节点（24hpf左右）。然后,我们分别收集了27hpf和18hpf两个发育时段的胚胎,并采用差异分析的方式,比较了18hpf和27hpf的胚胎成分。通过这样的差异分析,最终筛选出了m/z 330化合物,这个化合物是唯一一个在27hpf胚胎中含有,而在18hpf中没有的成分。因而,我们推测m/z330是一个潜在的胚源报警物质活性成分。针对皮肤报警物质,我们收集了一批斑马鱼皮肤样品（700尾）,并利用化学技术手段对样品进行了提取和分离,最终得到60管组分。通过对该60管组分逐一进行超高效液相色谱-高分辨质谱分析,得出进一步分组合并的方案:Pool1（z1-z6）,Pool2（z7-z16）,Pool3（z17-z28）,Pool4（z29-z37）,Pool5（z38-z44）,Pool6（z45-z60）,为后续进一步活性检测提供了有效途径。经过3轮活性检测,我们最终确定pool4大组中z31和z37两管的组合能够引起斑马鱼显著的报警反应,进一步分析z31和z37两管的组分,我们推定m/z 301和m/z 388两个化合物的组合具有报警物质活性。尽管我们目前筛选到了3个报警物质活性成分,然而这3个化合物的分子结构尚未鉴定,还有待进一步的研究。围绕色素模式对行为的影响,我们主要做了如下工作:首先,我们通过报警物质暴露处理,比较了野生型和nacre突变体的报警行为,发现相对于野生型个体而言,nacre个体在报警行为中,有更长的“bottom”（沉底）和“freezing”（呆滞）累积,推测可能是由于背景匹配条件下,“freezing”可能是一种更为有效的反捕食策略。与此同时,我们利用斑马鱼对深色背景的偏好天性,采用黑白盒模型,比较分析了两种色素模式斑马鱼的明暗背景选择偏好,发现相对于野生型个体而言,nacre个体更喜欢白色背景,推测这是由于白色背景与nacre个体颜色更为匹配,具有更好的隐蔽效果。此外,我们还对两种斑马鱼的焦虑行为和社交互作行为做了比较分析,发现两种色素模式的斑马鱼均表现出显著的差异。尽管,目前一些行为现象背后的机制尚不清楚,但这些行为差异的发现,为今后研究色素模式对鱼类行为的影响提供了重要的实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
•   前言
•   （1）鱼类报警物质的研究进展
•     引言
•     1.1 鱼类报警物质
•     1.2 鱼类报警物质的来源
•     1.3 报警物质的化学特性
•     1.4 总结
•   （2）鱼类色素模式及其行为功能研究进展
•     引言
•     2.1 鱼类色素及色素细胞
•     2.2 鱼类形态颜色变化及调控机制
•     2.3 鱼类色素模式及其行为功能
•     2.4 总结
• 第二章 斑马鱼胚胎报警物质活性成分分析
•   引言
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 实验动物
•     2.1.2 仪器和试剂
•     2.1.3 胚胎收集
•     2.1.4 样品提取和分离
•   2.2 结果与分析
•   2.3 讨论
•   附件
• 第三章 斑马鱼皮肤报警物质活性成分分析
•   引言
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 实验动物
•     3.1.2 仪器和试剂
•     3.1.3 样品提取和分离
•     3.1.4 刺激液制备
•     3.1.5 检测装置
•     3.1.6 暴露实验
•     3.1.7 行为记录与分析
•     3.1.8 数据统计分析
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 样品分析
•     3.2.2 活性检测
•   3.3 讨论
• 第四章 色素模式对斑马鱼反捕食行为的影响
•   引言
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 实验动物
•     4.1.2 检测装置
•     4.1.3 实验设计和流程
•     4.1.4 行为记录与分析
•     4.1.5 数据统计分析
•   4.2 结果与分析
•   4.3 讨论
• 第五章 色素模式对斑马鱼焦虑行为的影响
•   引言
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 实验动物
•     5.1.2 检测装置
•     5.1.3 实验设计和流程
•     5.1.4 行为记录与分析
•     5.1.5 数据统计分析
•   5.2 结果与分析
•   5.3 讨论
• 第六章 色素模式对斑马鱼社交行为的影响
•   引言
•   6.1 材料与方法
•     6.1.1 实验动物
•     6.1.2 检测装置
•     6.1.3 实验设计和流程
•     6.1.4 行为记录和分析
•     6.1.5 数据统计分析
•   6.2 结果与分析
•   6.3 讨论
• 第七章 总结与展望
•   7.1 研究总结
•   7.2 后续研究方向
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 曹小龙

导师: 李伟明

关键词: 鱼类,报警物质,报警反应,色素模式,行为,环境适应

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 上海海洋大学

基金: 国家自然基金青年科学基金,上海高校水产学一流学科建设项目,上海市重点学科建设项目

分类号: Q958

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000230

总页数: 84

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